單片機與接口技術(shù)-2 51單片機組成結(jié)構(gòu)(CPU與存儲器)

單片機與接口技術(shù)第2日51單片機組成結(jié)構(gòu)1.51單片機的中央處理器中央處理器（CPU）由運算器和控制器組成，是單片機的核心，完成運算和控制操作。

運算器運算器包含：算術(shù)邏輯運算器ALU，算術(shù)累加器ACC，程序狀態(tài)寄存器PSW，寄存器B，暫存器TMP1，暫存器TMP2，布爾累加器Cy等。功能：進行移位、算術(shù)運算和邏輯運算；MCS-51運算器還包含有一個布爾（位）處理器，用來處理位操作。

（1）累加器A（ACC）（8位，E0H）功能：暫存操作數(shù)及保存運算結(jié)果；

A是MCS-51單片機中最繁忙的寄存器；（2）寄存器B（8位，F(xiàn)0H）功能：用于乘法、除法運算，對于其它指令可作為一個寄存器使用；（3）程序狀態(tài)字寄存器PSW（8位，DOH）功能：存放累加器A在運算過程標(biāo)志位（P，OV，AC，Cy）的狀態(tài)；指出CPU所使用的當(dāng)前工作寄存器組。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0CY(PSW.7)進位/借位標(biāo)志位(Carry)。若ACC在運算過程中發(fā)生了進位或借位，則CY=1；否則=0。它也是布爾處理器的位累加器，可用于布爾操作。AC(PSW.6)半進位/借位標(biāo)志位(AttachedCarry)。若AC在運算過程中，D3位向D4位發(fā)生了進位或借位，則AC=1,否則=0。F0(PSW.5)——用戶標(biāo)志位(Flag0:userdefinableflag)。PSW.6PSW.5PSW程序狀態(tài)字寄存器PSW.7PSW.0

RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器組選擇位(RegisterSelection)。RS1，RS0=01則選擇了工作寄存器組1區(qū)R0～R7分別代表08H～0FH單元。RS1，RS0=10則選擇了工作寄存器組2區(qū)R0～R7分別代表10H～17H單元。RS1，RS0=11則選擇了工作寄存器組3區(qū)R0～R7分別代表18H～1FH單元。CYACF0RS0OVPRS1PSW.4PSW.3RS1，RS0=00則選擇了工作寄存器組0區(qū)R0～R7分別代表00H～07H單元。PSWCYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.2PSW.1PSW OV(PSW.2)溢出標(biāo)志位(Overflow)。

OV=1時特指累加器在進行帶符號數(shù)(-128—+127)運算時出錯（超出范圍）；OV=0時未出錯。 P(PSW.0)奇偶標(biāo)志位(ParityBit)。

P=1表示累加器ACC中“1”的個數(shù)為奇數(shù)

P=0表示累加器ACC中“1”的個數(shù)為偶數(shù)

CPU隨時監(jiān)視著ACC中的“1”的個數(shù),并反映在PSW中 AC,Cy,OV,P通常在有A累加器參與運算的情況下改變，它們反映A累加器參與運算后的狀態(tài)變化。（4）TMP1和TMP2為8位暫存寄存器存放參與預(yù)算的操作數(shù)。（5）布爾處理器Cy

實現(xiàn)各種位邏輯運算和傳送；MCS-51具有一個位尋址空間。所以，MCS-51單片機僅能實現(xiàn)兩個8位二進制數(shù)的算術(shù)和邏輯運算！

控制器控制器組成：定時與控制部件，復(fù)位電路，程序計數(shù)器（PC），指令寄存器，指令譯碼器，數(shù)據(jù)指針（DPTR），堆棧指針（SP）等控制器的作用：產(chǎn)生計算機所需的時序，控制程序自動執(zhí)行。CPU程序存儲器指令寄存器外RAM,EPROM,外I/O指令譯碼器控制單片機各部分的運行,產(chǎn)生ALE，PSEN,RD/WRCPU執(zhí)行指令控制器示意圖（1）程序計數(shù)器PC（16位） 程序計數(shù)器PC用來存放即要執(zhí)行的指令地址，共16位，低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。

CPU每取一次機器碼，PC內(nèi)容自動加一，CPU執(zhí)行一條指令，PC內(nèi)容自動增加該指令的長度。CPU復(fù)位后，PC內(nèi)容為0000H，它標(biāo)志著程序從頭開始執(zhí)行。

PC的內(nèi)容變化決定程序的流向。（2）指令寄存器（8位）

指令寄存器中存放將要執(zhí)行的指令代碼，通過指令譯碼器，將指令代碼轉(zhuǎn)化為電信號——控制信號ALE等。（3）數(shù)據(jù)指針DPTR（82H83H：16位） 用于訪問外部RAM或外部I/O口，提供十六位地址。用于程序存儲器的查表和程序散轉(zhuǎn)指令，作為基地址寄存器，提供十六位基地址。（4）堆棧指針寄存器SP（81H：8位）用于管理對棧，指出棧頂位置。

MCS-51單片機復(fù)位后,(SP)=07H2.51單片機的存儲組織存儲器（1）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器由RAM地址寄存器、地址譯碼器以及256字節(jié)RAM構(gòu)成，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。 （2）內(nèi)部程序存儲器

MCS-51系列單片機（8031除外）的內(nèi)部程序存儲器由程序地址寄存器、地址譯碼器以及4K（4096）個單元的ROM構(gòu)成，用于存放程序的機器代碼和常數(shù)。

（3）特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR）

MCS-51系列單片機有21個可以尋址的特殊功能寄存器，包括單片機內(nèi)的I/O口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器（或緩沖器）以及控制寄存器和狀態(tài)寄存器，用于存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

輸入輸出口

輸入輸出口 MCS-51單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開設(shè)置，地址空間相互獨立。MCS－51存儲器地址空間可分為以下5個：

（1）程序存儲器，最大空間64K；

（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，256字節(jié)；

（3）特殊功能寄存器，共21個；（4）位尋址空間，211位；（5）外部數(shù)據(jù)存儲器，最大空間64K。（1）芯片內(nèi)部含有程序存儲器的單片機（8051） 當(dāng)=1（接高電平）時，8051的程序存儲器結(jié)構(gòu)如圖：程序存儲器結(jié)構(gòu)程序存儲器連接電路芯片內(nèi)部含有程序存儲器的單片機（8051/8751）

當(dāng)=0（接低電平）時，8051/8751的程序存儲器結(jié)構(gòu)如圖：程序存儲器結(jié)構(gòu)程序存儲器連接電路

不論哪一種MCS-51單片機，如果接地，其內(nèi)部的程序存儲器將被CPU忽略VccRMCS-5100000FFF1000FFFF內(nèi)部外部MCS-51內(nèi)部外部0000FFFF

在單片機的程序存儲器中，有5個特殊的單元地址被定義為中斷入口地址： 外部中斷0入口地址：0003H

外部中斷1入口地址：0013H

定時/計數(shù)器T0入口地址：000BH

定時/計數(shù)器T1入口地址：001BH

串行口中斷入口地址：0023H中斷入口地址映射

MCS-51單片機的片內(nèi)RAM按照功能可分為3個區(qū)域：

00~1FH：32個單元為工作寄存器區(qū)

20~2FH：16個單元為位尋址區(qū)

30~7FH：80個單元為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)片內(nèi)RAM分區(qū)示意圖工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)工作寄存器區(qū)（RegisterBank）（00-1FH）工作寄存器組分區(qū)

工作寄存器區(qū)也稱為通用寄存器區(qū)。工作寄存器區(qū)包含4個工作寄存器組，每個工作寄存器組中包含8個工作寄存器R0~R7。Bank0Bank1Bank2Bank3

BANK0（00~07H）

BANK1（08~0FH）

BANK2（10~17H）

BANK3（18~1FH）

表工作寄存器組的工作寄存器R0~R7與內(nèi)RAM單元的對應(yīng)關(guān)系PSW.4(RS1)PSW.3(RS0)寄存器區(qū)R0R1R2R3R4R5R6R700BANK000H01H02H03H04H05H06H07H01BANK108H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10BANK210H11H12H13H14H15H16H17H11BANK318H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH位尋址區(qū)（BitAddressableArea）（20~2FH）

MCS-51單片機的片內(nèi)RAM中，20~2FH單元被開辟為位尋址區(qū)； 這些單元的每一位都具有一個自己的位地址，共168＝128位。

位尋址區(qū)位地址范圍為00~7FH，CPU可以對每一位直接操作。1100010128H40H41H42H43H44H45H46H47H單元地址位地址單元地址

D7D6D5D4D3D2D1D02C67666564636261602B5F5E5D5C5B5A59582A5756555453525150294F4E4D4C4B4A4948284746454443424140273F3E3D3C3B3A3938263736353433323130252F2E2D2C2B2A2928242726252423222120231F1E1D1C1B1A1918221716151413121110210F0E0D0C0B0A09082D6F6E6D6C6B6A69682007060504030201002E77767574737271702F7F7E7D7C7B7A7978內(nèi)部RAM中20~2FH的位地址映射20~2F單元的位地址區(qū)的使用：（1）在片內(nèi)RAM中只有20～2FH單元的位能夠進行位操作，我們經(jīng)常表示為20H.0，它與位地址00H是等價的。（2）位尋址區(qū)16個單元也可以按單元訪問，所以，當(dāng)位尋址區(qū)16個單元的128位未完全使用時，其剩余單元也可作為RAM單元使用。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（DataBufferArea）（30~7FH） （1）數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的作用 作為數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)暫存、作為堆棧區(qū)使用；

這些單元只能按單元（字節(jié)）訪問。（2）堆棧 堆棧是為了保護CPU執(zhí)行程序的現(xiàn)場，在存儲器中開辟了一個“先進后出”（后進先出）的區(qū)域； 堆棧的操作：入棧，出棧；操作規(guī)則：先進后出； 堆棧由堆棧指針SP管理，它始終指向棧頂位置，一般情況下，將堆棧設(shè)在30H單元之后。程序設(shè)計時，最好設(shè)在片內(nèi)RAM的末端，如MOVSP,#60H,以避免堆棧向上生成時覆蓋所存儲的數(shù)據(jù)。特殊功能寄存器（SFR）MCS-51芯片內(nèi)部有21個可尋址的SFR（具有地址），它們離散的分布在片內(nèi)RAM80H～FFH范圍內(nèi)，并與內(nèi)RAM統(tǒng)一編址。MCS-51芯片內(nèi)部有不可尋址的SFR——程序計數(shù)器PC。CPU對可尋址的SFR只能采用直接尋址方式，即按單元地址訪問的模式?？蓪ぶ返腟FR中部分SFR（單元地址能夠被8整除）具有位尋址功能。

單片機的特殊功能寄存器（SFR）及其單元地址SFR符號SFR名稱SFR對應(yīng)單元ACC累加器E0HBB寄存器F0HPSW程序狀態(tài)字寄存器D0HDPTR數(shù)據(jù)指針83H/82HSP堆棧指針81HP0P0口80HP1P1口90HP2P2口A0HP3P3口B0HIP中斷優(yōu)先級B8HIE中斷允許控制A8HSFR符號SFR名稱SFR對應(yīng)單元TMODTimer工作方式89HTCONTimer控制寄存器88HTH0T0計數(shù)寄存器(H)8CHTL0T0計數(shù)寄存器(L)8AHTH1T1計數(shù)寄存器(H)8DHTL1T1計數(shù)寄存器(L)8BHSCON串行口控制寄存器98HSBUF串行口緩沖器99HPCON電源控制寄存器87H

CPU相關(guān)I/O相關(guān)中斷相關(guān)定時器/計數(shù)器相關(guān)串口相關(guān)特殊功能寄存器（SFR）的位地址空間凡是SFR的地址能被8整除的SFR（單元地址的末位是0或8）都具有位尋址功能，MCS-51單片機共有11個SFR具有位尋址功能，這些寄存器（單元）的每一位都有一個位地址。位地址空間：80~FFH。特殊功能寄存器（SFR）的位地址空間的特點：（1）SFR對應(yīng)的單元地址為該SFR最低位的位地址。（2）SFR的位尋址區(qū)地址是不連續(xù)的。SFR位尋址空間地址映射SFR

D7D6D5D4D3D2D1D0ACCE7E6E5E4E3E2E1E0BF7F6F5F4F3F2F1F0單元地址PSWD7D6D5D4D3D2D1D0IPBFBEBDBCBBBAB9B8B8P3B7B6B5B4B3B2B1B0B0IEAFAEADACABAAA9A8A8P2A7A6A5A4A3A2A1A0A0SCON9F9E9D9C9B9A999898P19796959493929190TCON8F8E8D8C8B8A8988P08786858483828180908880D0E0F0CyACF0RS1RS0OV—P———PSPT1PX1PT0PX0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0EA——ESET1EX1ET0EX0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRITF1TR1TF0TR0IE1IT1IT0IE0MCS-51單片機SFR的使用： （1）對于SFR以單元形式訪問時，只能采用直接尋址方式。如：

MOVSBUF,AMOV99H,A

二者是等價的。 （2）對于80～FFH區(qū)間未定義的單元，用戶不得使用。同樣，對于未定義位地址所對應(yīng)的位操作也是無效的。 （3）在編程時，最好不要采用SFR作為中間寄存器暫存中間結(jié)果。因為復(fù)位時，多數(shù)SFR被清0.*位尋址空間

MCS-51單片機的有位尋址能力的空間由兩部分組成，位地址范圍為00～FFH。MCS-51位尋址空間片內(nèi)RAM中20-2FH單元的128位，占用位地址范圍：00～7FH；地址能被8整除的SFR具有位尋址功能，占用位地址范圍：80～FFH片外數(shù)據(jù)存儲器MCS—51系列單片機的